JP5426815B2 - 液滴生成装置および液滴生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、液滴を所定の周期で生成する液滴生成装置に関し、特に、液滴の生成に関する。

特許文献１には、液体キセノンの液滴を生成する標的材料供給装置が開示されている。簡単に説明すると、図１０に示すように、ノズル２００の標的材料供給ライン１６６は圧電トランスデューサ１７２で覆われている。圧電トランスデューサ１７２の振動によって、標的材料供給ライン１６６に供給される液体キセノンは液滴として出射される。

特開2004-006365号

しかし、上記標的材料供給装置は、液滴を吐出するためのノズルを物理的に振動させているので、ノズル周辺の構造が複雑になるだけでなく、液滴の供給がばらつくという問題があった。かかるばらつきは、例えば極端紫外光生成装置においては、レーザの照射位置に液滴が供給されないこととなり、その結果、レーザ照射による極端紫外光の出力が不安定となる。

また、かかる液滴のばらつきは、極端紫外光生成装置だけでなく、供給した液滴を用いて何らかの処理を実行する装置においては同様に問題となる。また、液体キセノンだけでなく、液状物の場合には同様に問題となる。

この発明は、吐出部から吐出される液滴の供給のばらつきを少なくできる液滴生成装置またはその方法を提供することを目的とする。

１）本発明にかかる液滴生成装置は、1)液滴材料を吐出する液滴材料吐出部、
前記液滴材料吐出部まで前記液滴材料を輸送する輸送管、2)前記輸送管に所定圧力で、前記液滴材料を供給する液滴材料供給部を備えた液滴生成装置であって、3)前記液滴材料吐出部から吐出される液滴材料が、吐出後、所望の液滴になるように、前記輸送管の外壁に接触させた振動部で前記輸送管を振動させる。

このように、輸送管の外壁を振動させることにより、前記液滴材料に脈動を与えることができる。これにより、吐出部を振動させる場合と比べて、液滴を安定的に生成することができる。また、外壁を振動させるだけなので、簡易な構成で液滴を生成することができる。

２）本発明にかかる液滴生成装置においては、前記振動部は、周期的な電気信号が与えられることにより、一部が物理的に振動する。したがって、周期的な電気信号を与えることにより、液滴を生成することができる。また、かかる電気信号の周期を変動することにより、液滴の属性を変更することできる。

３）本発明にかかる液滴生成装置においては、前記振動部は、圧電素子および前記圧電素子を固定する固定ブロックで構成されている。したがって、簡易な構成で振動部を実現することができる。圧電素子で振動部を構成した場合でも、設置は容易である。

４）本発明にかかる液滴生成装置においては、前記液滴材料の不純物を除去する除去部を、前記振動部よりも前記液滴材料供給部側に設けている。したがって、前記振動部で生成した振動が前記液滴材料吐出部に伝わる際に、前記除去部で除去されることがない。

５）本発明にかかる液滴生成装置においては、前記振動部は、周期的に変化する磁場により振動する。

６）本発明にかかる極端紫外光生成装置においては、1)本発明にかかる液滴生成装置、2)前記液滴生成装置から供給される液滴に、パルスレーザ光を照射する光源を備えている。したがって、極端紫外光を短い生成周期で生成することができる。

７）本発明にかかる露光装置においては、1)本発明にかかる極端紫外光生成装置を備えている。したがって、細い線幅の半導体露光が可能となる。

８）本発明にかかる液滴生成方法においては、1)液滴材料を輸送管にて液滴材料吐出部まで輸送し、前記液滴材料吐出部にて液滴材料の吐出圧力を周期的に変化させて吐出させて、液滴を生成する方法であって、2)前記輸送管の外壁に振動部を接触させ、前記液滴材料吐出部から吐出される液滴材料が、吐出後、所望の液滴になるように、前記振動部により前記輸送管の前記外壁を振動させる。このように、輸送管の外壁を振動させることにより、前記液滴材料に脈動を与えることができる。これにより、生成周期が短く、かつ、小径の液滴を生成することができる。

〔１．第１実施形態〕
図１に、本発明にかかる液滴生成装置の外観概略図を示す。液滴生成装置１は、ポット３、配管９、フィルタ１０、ノズル１３、電源部１７、および振動部２１を備えている。

ポット３には、水５が蓄えられる。ポット３には、不活性ガス封入管７が設けられており、不活性ガス封入管７により所定圧で加圧されている。

配管９の一端はポット３の水５内に位置し、他端にはノズル１３が接続されている。したがって、配管９は水５をノズル１３まで輸送する。配管９の途中に設けられたフィルタ１０は水５に混在するゴミなどの不純物を取り除くフィルタである。本実施形態においてはフィルタ１０としてはステンレスのメッシュフィルタを採用したが、焼結フィルタを採用してもよい。

また、ノズル１３は排出槽に固定されている。ノズル１３は一般的なノズルであり、配管９の径(後述するように本件では直径約２mm)を約50μm〜100μm程度に絞って、吐出口が設けられている。したがって、配管中を移動する水は、ノズル１３にて吐出圧力が変更され、ノズルから出射する水の流速に変化する。

配管９には、振動部２１が取り付けられている。振動部２１の構成について、図２を用いて説明する。図２は、図１におけるII−II断面図である。配管９にはピエゾ素子２５が接触状態で配置されている。ピエゾ素子２５が振動すると、その振動が配管９に伝達されるように、締め付けバンド２３で配管９とピエゾ素子２５とは、固定ブロック２７に密着固定されている。このように、ピエゾ素子２５の配管９に対向する面に固定ブロックを設け、この固定ブロックを固定することにより、ピエゾ素子２５による振動を効率よく配管９の外壁に伝えることができる。このように、固定ブロックはピエゾ素子２５の振動を効率よく配管９に伝えることができる程度の重さおよび堅さを有していればよい。また、固定ブロックの形状は、振動を伝えることができるものであればどの様なものであってもよく、例えば、固定板などを採用してもよい。

つぎに、液滴の生成について説明する。本実施形態における実験条件および結果を図３に示す。

ピエゾ素子２５には、図１に示す電源部１７から直流電圧を重畳した交流電圧が与えられる。これにより、ピエゾ素子２５は周期的に振動する。本実施形態においては、ピエゾ素子として、１５０Ｖで９μｍ膨張する素子を用いた。かかる振動は配管９に伝達される。ノズル１３は固定されており、ノズル１３から吐出される水は、吐出された後、液滴状態となる。かかる液滴状態への変化について、図４を用いて説明する。ノズル１３から吐出された水は、吐出後しばらくは連続しており（領域(a)）、その後は周期的なくびれが発生し（領域(b)）、さらにその後は分裂して液滴が生成される（領域(c)）。

このように、本明細書においては、ノズル１３を固定し、液滴生成材料を輸送する配管の一部に振動を与えている。これにより、径が小さく周期の短い液滴を生成することができるようになった。

また、本実施形態は、ノズルを直接振動させると比べて、1)ノズル周辺に振動部を設ける必要がない。2)ノズルを振動させた場合の問題であるノズルの振動が液滴に伝わり、液滴が安定しないという問題がなくなる、という利点がある。

〔２．変形実施形態について〕
本件発明による液滴生成メカニズムをより明確にするために、発明者は、以下のような変形例についても実験を行った。

（１）変形例１
上記実施形態においては、図２に示すように、ピエゾ素子を配管に当接させ、これを固定バンドで覆うように固定した（以下Ｂ方式という）。しかしながら、固定方法については、図５に示す保持具１２０、１３０を用いて、ピエゾ素子を配管に当接させた位置a1の対向位置a2に、空間を設けるように配管に固定するようにしてもよい（以下Ａ方式という）。

保持具１２０、１３０の詳細を図６を用いて説明する。保持具１２０は、中央部に凹部１２９が、その外側にはパイプがはまりこむＶ字溝１２３が設けられている。保持具１２０には図６Ａ，Ｂに示すように、４カ所のねじ穴１２５が形成されている。保持具１３０は４カ所のねじで、固定台２７に固定される。保持具１３０の中央部には穴４３が設けられており、穴４３にはピエゾ素子２５が挿入され、固定台２７の凸部と当接する。

図５に示すように、保持具１２０、１３０の間に配管を挟み込み、ねじ穴１２５で両者をねじ止め固定する。これにより、配管９の外壁にピエゾ素子２５が当接し、上記Ａ方式の保持がなされる（図５Ａ，Ｂ参照）。

前記Ｂ方式については、ピエゾ素子を配管９に当接させ、配管９ごと固定バンドで覆うように固定しているので、パイプ断面の変形の影響が強くなる。これに対して、Ａ方法はパイプ全体の振動およびパイプ断面の変形の双方の影響が考えられる。

実験結果を図７、図８に示す。本実施形態においては、溶液には水を用い、圧力は０．２１Mpa、ピエゾ素子には20KHzの正弦波振動を与えた。上記Ａ方式もＢ方式もいずれも液滴の生成のために必要な振動量としては、非常に小さな振動量である0．04μm（peak to peak)以下で可能であった。したがって、いずれの方式でも液滴の生成は可能である。ただ、Ｂ方式の方が全体として、最小液滴発生振幅が低いことから、パイプ断面の変形による液体振動発生の方が液滴生成の主要因であると考えられる。

（２）変形例２
配管の材質をステンレスではなく、ナイロンチューブに変更した場合には、１５ボルト（P-P値)まで交流電圧を高くしたが、液滴は生成されなかった。したがって、硬度が所定以上である配管を用いる必要がある。ただステンレス以外でも、振動が伝わる程度の硬度があれば採用することができる。

（３）変形例３
配管を外径１／８インチ(3.18mm)、１／４インチ(6.36mm)、途中まで１／８インチでその先が１／４インチとした場合（以下Ｃ形式という）の比較結果を図７に示す。図７Ａは外径１／８インチの場合、図７Ｂは外径１／４インチの場合、図に示す。図７Ｃに示すパイプ形状を、図９Ａに示す。この例では、接続部６１にて、１／８インチと１／４インチの配管が接続されている。かかる変形例による実験から、振動を伝わる程度の硬度である配管であれば、外径や途中での径変化があっても、液滴生成には影響がないといえる。

（４）変形例４
ノズルとピエゾ素子との距離を変化させた変形例を図９Ｂに示す。この例では、１／４インチの配管を用いて、ノズルが固定されているフランジ６５までの距離Ｘを8cm〜99cmまで段階的に変化させている。その結果、いずれも目的となる小径の液滴が生成された。その際、液滴生成に必要な最小電圧はほとんど変わらなかった。なお、距離Ｘが45cm付近での電圧が高い原因は、ノズルとフィルタの中央辺りであり、パイプ内部での共振しているものと思われる。

（５）本件発明におけるメカニズムについて
以上の変形例による実験の結果、発明者は、1)ピエゾ素子による振動がパイプ内部の液体に伝わり、液体内部の音波としてノズルに伝わり、液滴が発生する、2)ピエゾ素子の振動で発生した液体内部の振動が、ノズルまでの間で減衰しない限り、ピエゾの設置位置は限定されないと考えた。

なお、図９Ｂに示す不純物除去用のフィルタ６３を、ピエゾ素子とノズルの間に取り付けたところ、制御された液滴発生は見られなかった。これは、フィルタ６３が液体振動を吸収したためと考えられる。

したがって、フィルタの配置位置は、ピエゾをはさんでノズルの反対側が望ましい。ピエゾ素子によって生成された音波は、ノズル方向およびポット３の双方向に伝播する。これにより、ノズル方向への伝搬は確保しつつ、ポット３に伝播する音波を前記フィルタで吸収することができる。

〔３．その他の実施形態について〕
なお、本実施形態においては、ピエゾ素子による振動を利用した場合について説明したが、電磁石および永久磁石を用いて配管を振動させるようにしてもよい。たとえば、ピエゾ素子を用いた場合、0.1μｍ以下の小さな振幅が実現でき、この程度の振幅でも液滴は得られる。また、ピエゾ素子は振動させる力も大きい。これに対して、磁場による場合には、さらに振動幅を大きくすることができる。したがって、吐出させる液滴の径、材質などから適宜選択すればよい。

また、本実施形態においては、振動部２１を配管９と直交する方向に振動させたが、振動方向は限定されず、たとえば、配管９の伸縮方向に振動させてもよい。また、本実施形態においては、配管９の方向と液滴の吐出方向が平行である場合について説明したが、これについても限定されない。

なお、本実施形態においては、液滴生成材料として水を用いた場合について説明したが、他の材料であれば適宜、振動数、加圧、流速などの条件を変更することにより、所望の液滴を生成することができる。たとえば、エタノール、スズの溶液などについても適用できる。

なお、スズは室温では固体であるので、溶解ポット３および配管９をスズの融点以上で保温するようにすればよい。かかる液滴生成装置で生成した液滴を真空チャンバー内へ供給し、レーザを照射することにより極端紫外光を生成する極端紫外光生成装置として利用することができる。さらにかかる極端紫外光生成装置を備えた露光装置として用いることもできる。なお、極端紫外光生成装置以外の液滴供給に用いることはいうまでもない。

なお、スズを用いた場合には、ピエゾ素子と配管の間に、振動を伝え且つ熱を遮断する介在部を設けるようにすればよい。これにより、ピエゾ素子をスズの熱から保護することができる。介在部としては、例えば、熱伝導率が低い石英ガラスを用いればよい。石英ガラスは熱膨張率も低いのでピエゾ素子を配管に密着させた場合に、熱膨張量も少なくすることができる。その他、介在部はセラミックなどを採用することもできる。

液滴生成装置の概要図である。 振動部２１の詳細図である。 実験条件および実験結果を示す図である。 ノズル１３から吐出される水から液滴ができる状態を説明する図である。 固定方式を変えた実験例の概略図である。 保持具の形状を示す図である。図６Ｂは図６Ａ矢視図である。図６Ｃは、図６ＡにおけるC-C断面図である。 実験結果を示す表である。 図７の実験結果を示すグラフである。 パイプの形状、ピエゾ素子２５の位置を変更した場合の概要図である。 従来の液滴生成装置の概略図である。

符号の説明

３・・・・ポット
５・・・・水
７・・・・不活性ガス封入管
９・・・・配管
１０・・・フィルタ
１３・・・ノズル
１５・・・排出槽
１７・・・電源部

Claims (8)

1. 液滴材料を吐出する液滴材料吐出部、
   前記液滴材料吐出部まで前記液滴材料を輸送する輸送管、
   前記輸送管に所定圧力で、前記液滴材料を供給する液滴材料供給部、
   を備えた液滴生成装置であって、
   前記液滴材料吐出部から吐出される液滴材料が、吐出後、所望の液滴になるように、前記液滴材料吐出部を固定させた状態で、前記輸送管の外壁に接触させた振動部で前記輸送管を振動させること、
   を特徴とする液滴生成装置。
2. 請求項１の液滴生成装置において、
   前記振動部は、周期的な電気信号が与えられることにより、一部が物理的に振動すること、
   を特徴とするもの。
3. 請求項２の液滴生成装置において、
   前記振動部は、圧電素子および前記圧電素子を固定する固定ブロックで構成されていること、
   を特徴とするもの。
4. 請求項２の液滴生成装置において、
   前記液滴材料の不純物を除去する除去部を、前記振動部よりも前記液滴材料供給部側に設けたこと、
   を特徴とするもの。
5. 請求項２の液滴生成装置において、
   前記振動部は、周期的に変化する磁場により振動すること、
   を特徴とするもの。
6. 請求項１〜５のいずれかの液滴生成装置、
   前記液滴生成装置から供給される液滴に、パルスレーザ光を照射する光源、
   を備えたことを特徴とする極端紫外光生成装置。
7. 請求項６の極端紫外光生成装置を備えたことを特徴とする露光装置。
8. 液滴材料を輸送管にて液滴材料吐出部まで輸送し、前記液滴材料吐出部にて液滴材料の吐出圧力を周期的に変化させて吐出させて、液滴を生成する方法であって、
   前記輸送管の外壁に振動部を接触させ、前記液滴材料吐出部から吐出される液滴材料が、吐出後、所望の液滴になるように、前記液滴材料吐出部が振動しない状態で前記振動部により前記輸送管の前記外壁を振動させること、
   を特徴とする液滴生成方法。